c++ 模板元编程的一点体会

趁着国庆长假快速翻了一遍传说中的、大名鼎鼎的 modern c++ design,钛合金狗眼顿时不保,已深深被其中各种模板奇技淫巧伤了身。。。论语言方面的深度,我看过的 c++ 书里大概只有 insight c++ object model 能与之一战吧?难怪 Herb 老喜欢调侃 Andrei 在模板方面是个可怕的家伙,就从这本书的质量来看,Andrei 当之无愧。

c++ 模板元编程的能量远比第一眼印象里所能想像得要强大,当然,这个结论并不明显,很多时候人们也就拿模板当作减少重复代码的工具简单使用,很少有人会像写 STL, boost, loki 那样子正儿八经完全以模板为根基进行创作,个中原因是多样的,一个结果就是,模板的威力即使在很多 c++ 熟手的手下也不容易充分展现出来,当然,从工程的角度来讲,这并非就是坏事,并不见得非得穷尽语言的高级特性,写出让人惊叹的代码才是好代码,实战中更多时候讲究的是简洁,易读,好上手好维护这些基本原则,特别是当团队中人员在语言水平上参差不齐时更是如此,杜甫的诗也许更工整严谨,但白居易的诗则显然更老少皆宜,这个体会我是在阅读 boost.proto 的代码时得来的,好奇的读者可以自行去了解一下,注意做好安全措施。

从语言特性上来说,模板元编程具备了一个完备的编程语言所必需的一些基本结构,比如说,循环,分支,判断等,当然,这些结构在模板中可能也不太明显,例如循环,它的实现的关键在于使用递归,出口点在特化,typedef 和 enum 则可以当成是编译时的变量,它们都能在编译时递归式地依赖于别的模板,尤其是 enum, 甚至可以通过使用三元操作符(:?)实现编译时判断,而至于分支(if/else),它们的实现显然就在于特化了。

以上的说辞可能有些虚无,下面以 Loki 中光彩夺目的 typelist 为例简单展示一下模板都能做些什么。

typelist 是这样一个好东西,你可以把它看成是一个链表,该链表中放的是类型,具体结构定义如下:

template <class T, class U>
struct Typelist
{
  typedef T Head;
  typedef U Tail;
};

Head 是 typelist 中当前节点所保存的 type, Tail 是 typelist 中该节点之后的其它部分,可以看成是一般链表中的 next 指针,怎么判断哪个节点是 typelist 的最后一个节点呢?在一般链表中,next 为空的节点是最后一个节点,同理,在 typelist 中我们可以定义一个空的结点:

struct NullType
{
};

有了如上的定义,于是我们可以按如下样子来使用 typelist 了:

typedef Typelist<char, Typelist<int, Typelist<short, NullType> >

但是上面的写法怎么看都很难用很别扭,而且极端不美观,在这个看脸的时代这样怎么行,所以 Loki 定义了一大堆宏来减轻使用者的负担,看这里,因为当时 c++ 的标准还不支持 variadic template parameter,这些宏事实上是相当死板恶心的,但这也是没法的事,不看它的实现就好了。

就这么一个简单的结构,现在我们要让它支持查找,定位,插入,删除等常规操作,是不是觉得有些为难甚至觉得不可能? 答案是这些操作都是可行的,比如说查找,现在给定一个如上定义的 typelist,怎么判断该 typelist 中是否存在某一个特定类型呢?答案如下,其它的操作本质上差不多,有兴趣的读者可自行挑战一下,这里就不在啰嗦:

template<class TL, class T> struct IndexOf;

// 当搜索空的 typelist 时,结果为 -1.

template<>
struct IndexOf<NullType, T>
{
  enum { value = -1 };
};

// 当前节点的类型为所想要搜索的类型时

template<class T, class Tail>
struct IndexOf<Typelist<T, Tail>, T>
{
  enum { value = 0 };
};

// 当前节点不是所查找的类型时,递归地在 Tail 中进行查找。

template<class Head, class Tail, class T>
struct IndexOf<Typelist<Head, Tail>, T>
{
  enum { in_tail = IndexOf<Tail, T>::value };
  
  // 使用三元操作符进行判断,T 是否在 Tail 中存在。
  enum { value = (in_tail >= 0)? 1 + in_tail: -1 };
};

从上面的例子我们可以看到,因为 c++ 支持对模板递归式的解析(也就是一个模板依赖于另一个模板时,先解释被依赖的模板),尤其是 template template parameter,使得模板事实上有了很强的编译时运行的能力,这种能力表面上看起来可能不容易操控,但却显然是潜力无穷的,不过它的缺点也比较明显:

  1. 编译时代码与运行时代码搅在一起,在处理复杂问题时,程序的逻辑可能不容易读懂。
  2. 编译时调试现阶段的支持还不够好,错误信息异常地冗余而且不精确。

网络上关于 c++ 模板元编程的讨论有很多,模板的各种能力技巧也渐渐被越来越多的人所发现所挖掘,但是在实际的工作中,对很多人来说模板元编程却仍一直处于比较保守的阶段,说到底过分依赖模板元编程所带来的缺点还是太明显,就我粗陋的见闻来说,完全基于模板元编程做出来的比较出名的工具型的东西,主要有几个(都来自 boost):boost spirit,boost proto 及 boost mpl,东西都非常非常棒,但使用的体验嘛,老实说都不是很好。。。特别是 spirit。而至于它们的实现,对有兴趣练习深入这方面技能的程序猿来说,这两者倒确实是不可多得好素材,尤其是 proto, 代表了一个高峰。

好消息是,伴随着 c++11 的到来,好些众人期盼以久的新特性终于从理想照进现实,尤其是 variadic parameter 的加入,可以预见将再度大大提升模板的能力,c++ 标准沉寂近10年后迎来了一个新时期,甚至还有人曾经提议要加入 static_if,concept 等概念也在酝酿中了,变化是唯一永恒不变的东西,你,作好准备了吗?

posted on 2014-10-04 22:57  twoon  阅读(11212)  评论(3编辑  收藏  举报